开源模型

最强开源大模型？Qwen2 技术报告解读

2024 年 7 月 23 日

Qwen 团队近日发布了目前最强开源大模型 Qwen2 的技术报告。文中介绍了预训练和对齐过程中所采用的技术和方法，最后对模型进行了详细的评估。

Abs：https://arxiv.org/abs/2407.10671
Code：https://github.com/QwenLM/Qwen2

0 Abstract

发布了一系列的 Base 模型和 Instruct 模型，参数量从 0.5B 到 72B，包括 dense 系列模型和一个 MoE 模型。

Qwen2 超越了包括 Qwen1.5 在内的大多数先前的开源模型。与闭源模型相比，在语言理解、生成、多语言、代码、数学、推理等不同基准上也表现出了有竞争力的性能。

旗舰的 Qwen2-72B-Base 和 Qwen2-72B-Instruct 在许多评测集上表现出卓越的性能。此外，Qwen2 也展示出了鲁棒的多语言性能，精通大约 30 种语言，凸显了其全能性。

Qwen2 模型权重在 Hugging Face 和 ModelScope 上进行了开源，样例代码在 Github 上进行了开源。

1 Introduction

随着 ChatGPT 的问世，在全球掀起了 LLM 的热潮。Llama 系列模型的发布进一步激发了开源社区的兴趣。

最近，Claude-3 Opus 和 GPT-4o 迅速登顶 Chatbot Arena 王座。此外，Llama-3 已经成为 SOTA 的开源系列模型，缩小了与领先的闭源模型的差距，被认为达到了 GPT-4 水平。

越来越多的 LLM 正在追求 OpenAI 的 GPT 系列的进步，其中包括 Qwen、Mistral、Gemma 等在内的许多系列都是以开源形式发布的。

近几个月来，Qwen 团队成功发布了 Qwen 系列模型并进化为 Qwen1.5。同时，Qwen 团队推出了 vision-language 模型 Qwen-VL 和 audio-language 模型 Qwen-Audio。

在这篇技术报告中，Qwen 团队发布了最新的 Qwen2 系列 LLM。Transformer 架构，next-token prediction 训练。

发布了包括 0.5B、1.5B、7B、72B 在内的 4 个 dense 模型以及 1 个 57B 的 MoE 模型（每个 token 激活其中 14B 参数）。

所有的模型在一个超过 7T tokens 的高质量大规模数据集上进行预训练，数据涵盖广泛的领域和语种。

与之前的 Qwen 版本相比，Qwen2 包含了更广泛的语言数据，提高了代码和数学数据的数量和质量。通常认为这可以提高 LLM 的推理能力。

预训练后，所有模型都进行了 SFT 和 DPO。

Qwen 团队对 Qwen2 进行了全面评估，基本都优于竞品模型。Qwen2-72B-Instruct 在 MT-Bench 得分为 9.1，Arena-Hard 48.1，LiveCodeBench 35.7。Qwen2-72B-Base 在 MMLU 得分 84.2，GPQA 37.9，HumanEval 64.6，GSM8K 89.5，BBH 82.4。

2 Tokenize & Model

这一节介绍 Qwen2 的 Tokenizer 和模型设计。

2.1 Tokenizer

采用与 Qwen 相同的基于 byte-leval 的 BPE Tokenizer。值得注意的是，这种 Tokenizer 具有很高的编码效率，从而促进了 Qwen2 的多语言能力。

词汇表包含 151643 个常规 tokens 和 3 个特殊控制 tokens。更多信息可以参考：

Qwen Technical Report
https://arxiv.org/abs/2309.16609

2.2 Model Architecture

基于 Transformer 架构，带有 causal masks 的 self-attention。

包括 4 个规模的 dense 模型和 1 个 MoE 模型。

2.2.1 Qwen2 Dense Model

模型架构包括多个 Transformer 层，每层具有 causal attention 机制和 FFN。

与先前 Qwen 系列模型的主要区别如下：

• Grouped Query Attention

Paper：GQA: Training Generalized Multi-Query Transformer Models from Multi-Head Checkpoints
Abs：https://arxiv.org/abs/2305.13245

采用 GQA 来代替了传统的 multi-head attention。GQA 在推理过程中优化了 KV cache，可以显著提升吞吐量。

• Dual Chunk Attention with YARN

Paper：Training-Free Long-Context Scaling of Large Language Models
Abs：https://arxiv.org/abs/2402.17463

Paper：YaRN: Efficient Context Window Extension of Large Language Models
Abs：https://arxiv.org/abs/2309.00071

为了扩展 Qwen2 的上下文窗口，实现了 DCA，将长序列分割成具有可管理长度的 chunks。

如果输入可以在一个 chunk 中处理，则 DCA 跟原始 attention 输出相同的结果。否则，DCA 通过有效捕获 chunks 内和 chunks 之间 tokens 的相对位置信息来提升上下文性能。

此外，还通过 YARN 来重新缩放注意力权重，以实现更好的长度外推。

激活函数 SwiGLU，位置编码 RoPE，QKV bias，RMSNorm，pre-norm。

2.2.2 Qwen2 Mixture-of-Experts Model

Qwen2 MoE 的架构和 Qwen1.5-MoE-A2.7B 非常相似。

MoE FFN 由 n 个单独的 FFN 组成，每个 FFN 是一个专家。输入的每个 token 被定向到特定的专家 Ei 来根据门控网络 G 分配的概率进行计算：

p=softmax(G(x))

y=∑i∈topk(p)piEi(x)

接下来，介绍 Qwen2 MoE 中重要的设计考虑。

• Expert Granularity

MoE 模型和 dense 模型间的关键结构差异在于 MoE 层有多个 FFN，每个 FFN 是一个独立的专家。因此，直接将每个专家的参数设置为原始 dense 模型中 FFN 的参数即可从 dense 架构过度到 MoE 架构。

Mistral-7B 到 Mixtral 8x7B 每次从 8 个专家中激活 2 个。而 Qwen2 MoE 采用细粒度专家，在创建小规模专家的同时激活更多数量的专家。给定相同数量的专家参数和激活参数，细粒度专家可以提供更丰富的专家组合。

通过利用这些细粒度专家，Qwen2 MoE 促进了更多样和动态的专家使用，从而提高了整体的性能和适配性。

• Expert Routing

专家路由机制的设计对提升 MoE 模型的性能至关重要。

近期，在 MoE 层内整合 shared 和 routing-specific 专家有着显著趋势。Qwen2 MoE 采用了这种方法，因为这样促进了 shared 专家在不同任务中的应用，同时保留了其他专家在特定路由场景中的选择性应用。shared 和 specialized 专家的引入为 MoE 路由机制提供了一种适应性更强、更有效的方案。

• Expert Initialization

Paper：Sparse Upcycling: Training Mixture-of-Experts from Dense Checkpoints
Abs：https://arxiv.org/abs/2212.05055

初始化专家的方式与 upcycling 相似，利用 dense 模型的权重。但 Qwen2 MoE 的方法强调细粒度专家之间的多样化。

给定指定细粒度专家的中间层大小 hE ，专家数量 n ，原始 FFN 中间层大小 hFFN ，则将 FFN 复制 ⌈hFFNn×hE⌉ 次。可以容纳任意数量的专家。

为了促进每个 FFN copy 的多样性，对参数沿着中间层纬度进行 shuffle。这保证了每个细粒度专家即使在不同的 FFN copy 中表现出独特的特征。

之后，从 FFN copies 中提取出细粒度专家，丢弃其余的维度。

对于每个细粒度专家，将 50% 的参数重新随机初始化。这个过程引入了额外的随机性，可能有助于增强模型在训练过程中的探索能力。

2.2.3 Model Configuration

5 个不同规模的模型：

• Qwen2-0.5B
• Qwen2-1.5B
• Qwen2-7B
• Qwen2-57B-A14B
• Qwen2-72B

Qwen2-57B-A14B 是从 Qwen2-7B 升级而来。

值得注意的是，与 Qwen1.5 相比，Qwen2 模型每个 token 的 Key-Value（KV）大小要低得多。这样可以减少内存占用，在长上下文推理中更有优势。

3 Pre-Training

对于 Qwen2 的预训练，重点是优化数据集并且探索上下文长度扩展的有效方法。

3.1 Pre-Training Data

一个新的、大规模、高质量的多语言数据集。

与之前的 Qwen 和 Qwen1.5 相比，在语料库上有所改进，增强了几个关键领域的数据规模、质量和多样性。

Quality Enhancement

通过额外的启发式算法和基于模型的方法对数据过滤算法进行改进，包括使用 Qwen 模型过滤出低质量的数据。此外，这些模型被用于合成高质量的预训练数据。

Data Expansion

与 Qwen1.5 相比，Qwen2 收集了大量高质量的代码、数学和多语言数据，增强了模型对应的能力。

新的数据集支持大约 30 种语言，例如英语、中文、西班牙语、法语、德语、阿拉伯语、俄语、韩语、日语、泰语和越南语。

Distribution Improvement

为了确保模型学习的分布类似于人类，对小模型进行了实验来优化不同来源和领域数据的混合。

基于此，预训练数据从 Qwen1.5 的 3T tokens 增加到了 7T tokens。进一步放宽阈值则有 12T tokens。

然而，在 12T tokens 数据集上训练的模型（0.5B）没有比 7T tokens 上的模型有显著的性能提升。可以怀疑数据量的增加不一定有益于模型的训练。

因此，考虑到成本，选择使用更高质量的 7T tokens 数据集来训练更大的模型。

所有的 Qwen2 dense 模型（不包括 Qwen2-0.5B）都是在 7T tokens 数据集上预训练的。Qwen-0.5B 在 12T tokens 数据集上预训练。MoE 模型根据 upcycling 原则额外经过了4.5T tokens 预训练。

与之前的 Qwen 模型类似，高质量的多任务 instruction 数据被整合到 Qwen2 的预训练之中，以提高模型的 ICL 和 instruction-following 能力。

3.2 Long-Context Training

为了增强 Qwen2 的长上下文能力，在预训练的结束阶段将上下文长度从 4096 tokens 增加到了 32768 tokens。这一扩展过程引入了大量高质量、更长的数据。同时将 RoPE 的基频从 10000 修改为 1000000，以优化长上下文场景中的性能。

为了充分利用模型的长度外推潜力，采用了 YARN 机制和 Dual Chunk Attention 机制。这些策略使模型可以处理多达 131072 tokens 序列，同时保持较高的性能。

4 Post-Training

在大规模预训练之后，对 Qwen2 进行了 post-training。这一过程对于提升模型在包括代码、数学、逻辑推理、指令遵循、多语言理解等领域的能力很重要。此外，这一过程也确保了模型生成的内容与人类价值观对齐，使模型 helpful、诚实、无害。

与严重依赖大量人工监督的传统方法不同，Qwen2 更侧重于可扩展的对齐，尽量减少人工标注。具体来说，研究了获取 SFT 和 RLHF 高质量数据的方法，旨在提升数据质量和可靠性的同时减少对人类标柱的需求。

4.1 Post-Training Data

数据主要由两部分组成：

• demonstration 数据 D={(xi,yi)}
• 偏好数据 P={(xi,yi+,yi−)}

其中， xi 表示指令（instruction）， yi 表示 response， yi+ 和 yi− 是 xi 的两个 response，但 yi+比yi− 更符合人类偏好。SFT 使用的数据集为 D ，RLHF 使用的数据集为 P 。

训练数据的构建包括两个步骤：协作式数据标注和自动化数据合成。

首先，从大规模的指令语料库中提取数据本体，从而得到一批广泛而多样的高质量指令。这些指令通过系统化增强来增加复杂性。通过人工标注，得到了 targetresponseyi 和正负例对 (yi+,yi−) 。

随后，许多自动化对齐策略被应用于大量合成代码、数学、指令遵循、创作、角色扮演、安全等领域的人工标注数据。

4.1.1 Collaborative Data Annotation

• Automatic Ontology Extraction

Paper：InsTag: Instruction Tagging for Analyzing Supervised Fine-tuning of Large Language Models
Abs：https://arxiv.org/abs/2308.07074

首先应用一个开放式细粒度标注器 InsTag 来从大规模指令数据中提取出底层本体。后续进行手工优化确保提取的本体的准确性。

• Instruction Selection

Paper：How Abilities in Large Language Models are Affected by Supervised Fine-tuning Data Composition
Abs：https://arxiv.org/abs/2310.05492

每个带有 tag 标记的指令都会根据 tag 多样性、语义丰富行、复杂性、意图完整性进行评估。选择一组具有代表性的指令。

• Instruction Evolution

Paper：ChatGLM: A Family of Large Language Models from GLM-130B to GLM-4 All Tools
Abs：https://arxiv.org/abs/2406.12793

为了丰富指令数据集，采用了 self-evolution 策略来 prompt Qwen 模型向现有的指令添加约束或要求，从而增加指令的复杂度并确保数据集中难度分布的多样性。

• Human Annotation

使用不同的生成策略和不同规模的 Qwen 模型获得对指令的多个 responses。标注者根据他们的偏好对这些 responses 进行排序，确保最佳 response 符合要求，进而产生 demonstration 和偏好数据。

4.1.2 Automated Data Synthesis

保证指令 response 的标注质量是一个巨大的挑战，特别是那些需要专业知识、经验、细心或耐心的标注。因此，设计了多种自动对齐策略来大规模合成数据。

• Rejection Sampling

Paper：Scaling Relationship on Learning Mathematical Reasoning with Large Language Models
Abs：https://arxiv.org/abs/2308.01825

对于数学等带有明确最终答案的任务，采用拒绝采样来提升 solution 的质量。

LLM 被用来为每个指令生成多个推理路径 responses。保留可以得出准确结果并且被模型认为合理的推理路径，作为 demonstration 数据。通过对比正确和不正确的推理路径来获得偏好数据。

• Execution Feedback

对于代码任务，LLM 被用来生成解决方案和相关测试用例。通过根据测试用例编译和执行生成的解决方案来评估其有效性，从而得到 demonstration 和偏好数据。

Paper：Self-play with Execution Feedback: Improving Instruction-following Capabilities of Large Language Models
Abs：https://arxiv.org/abs/2406.13542

这种方法也可以应用于评估指令遵循能力。对于有约束条件的指令，LLM 可以生成 Python 验证函数，确保 response 符合指令的要求。

• Data Repurposing

对于没有受过专业训练的标注人员来说，在文学写作任务中很难给出熟练的 response。为了解决这个问题，从公开领域收集高质量的文学作品，用 LLM 来给出带有不同程度的细节的指令。得到的指令和原始文学作品一起作为 demonstration 数据。

Paper：Large Language Models are Superpositions of All Characters: Attaining Arbitrary Role-play via Self-Alignment
Abs：https://arxiv.org/abs/2401.12474

例如，为了得到生动逼真的角色扮演 responses，从维基百科等知识库中获取详细的角色简介，然后指示 LLM 生成相应的指令和 responses。这个类似阅读理解任务的过程可以确保保持角色简介的完整性。

• Constitutional Feedback

Paper：Constitutional AI: Harmlessness from AI Feedback
Abs：https://arxiv.org/abs/2212.08073

Constitutional AI 指的是通过引导 LLM 来基于预定义的规则生成 responses 的过程。为了确保遵守安全和价值观等准则，编制了 constitution 数据集。数据集描述了 LLM 应该遵循和应该避免的原则，用于指示 LLM 做出与这些规则一致或者偏离的 responses，进而作为 demonstration 和偏好数据的参考。

4.2 Supervised Fine-Tuning

收集了一个大规模 SFT 数据集，包含了超过 50 万条数据，涵盖指令遵循、代码、数学、逻辑推理、角色扮演、多语言、安全等领域。

模型微调 2 个 epoch，序列长度 32768 tokens。学习率从 7×10−6 逐渐降低到 7×10−7 。

为了解决过拟合问题，应用了 0.1 的 weight decay，并进行上限为 1.0 的梯度裁剪。

4.3 Reinforcement Learning from Human Feedback

Paper：Direct Preference Optimization: Your Language Model is Secretly a Reward Model
Abs：https://arxiv.org/abs/2305.18290

Paper：Online Merging Optimizers for Boosting Rewards and Mitigating Tax in Alignment
Abs：https://arxiv.org/abs/2405.17931

RLHF 训练包括两个连续的阶段：offline 和 online 训练。

在 offline 训练阶段，使用预先准备好的偏好数据集 P 进行 DPO 训练。

在 online 训练阶段，模型利用奖励模型（Reward Model，RM）实时地迭代式提升。具体来说，从当前的 policy 模型中采样多个 response，用 RM 来选择最佳和最差的 response 来形成每一段 DPO 训练的偏好 pair 数据。此外，还采用 Online Merging Optimizer 来缓解对齐税问题（模型与人类对齐过程中造成的性能下降）。

5 Evaluation

为了全面评估 Qwen2 Base 模型和 Instruct 模型，实施了一个全面评估协议。协议考差了包括一般知识理解、语言理解、生成、代码、数学、推理和其他专业领域等一系列能力。

具体来说，除非另有说明，用 LLM 通过 few-shot prompting 对 Base 模型进行 benchmark 评估。对于 Instruct 模型，除了 benchmark 评估外，还优先考虑人类偏好评估。